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文档简介

1、题 目 直流控制伺候系统设计目 录 TOC o 1-2 u 摘要11前言31.1伺服系统及其发展历史31.2 伺服系统的分类、现状与展望42 直流伺服控制系统的方案设计72.1 本次设计的设计内容和要求72.2 总体方案选择73 双闭环调速系统的原理分析103.1 转速、电流双闭环调速系统的工作原理103.2 双闭环调速系统起动过程分析123.3 直流电机转速稳定的动态分析164直流伺服系统的电路组成与分析184.1 系统构成184.2 主电路工作过程195 控制电路的设计215.1控制芯片SG3525215.2 延时电路设计295.3 保护电路306 驱动电路的设计326.1 PWM功率放大

2、器的工作原理326.2 功率管IGBT346.3 IGBT驱动芯片IR2110367 速度调节器和电流调节器418 结论439 总结与体会44致 谢45参考文献46附录 直流伺服系统电路图摘 要目前直流伺服控制系统在工业中有很大的应用面,有其不可取代的优点,因此本课题设计了一种直流伺服控制系统,设计的原则是尽量采用大规模集成芯片来提高系统的紧凑性和可靠性。在此基础上完成了系统总体方案设计,并对系统的控制原理及动态性能进行了分析,重点分析了电机在起动过程中电枢电流、速度调节器和电流调节器的输入与输出、转速的变化情况。同时,还进行了控制系统的总体电路设计,介绍了集成芯片SG3525的内部结构和控制

3、功能,功率管IGBT及IGBT驱动芯片IR2110的功能和特点。完成了基于SG3525控制的PWM电路设计、逻辑延时电路的设计、驱动电路设计、功率放大器的设计。 【关键词】: SG3525; 直流伺服系统; 双闭环 ; The designing of DC Servo Control SystemAbstractAt present the DC servo control system have a big application in the industry. It cannot be substituted in certain aspects .so, In This paper,

4、 A DC Servo Control System has been designed. The Design principle is as far as possible to use the large scale integration chip to enhance the compact of system and the reliability of system. In that foundation, the overall design of system has been completed, and analysis of the control principle

5、and dynamic performance for this system are also carried out. The dynamic performance of the armature electric current is the key analyzing point. The input-output of the speed regulator and the Current regulator, the starting Rotational speed are discussed.In the same time, overall circuit of the c

6、ontrol system has been designed, the Internal structure and control function of the integrated chip SG3525, power tube IGBT, the function and characteristics of the actuation chip IR2110 for IGBT are also introduced. then the PWM circuit based on control of SG3525, circuit of logic delay, Drive Circ

7、uit,power amplifier are also completed too.Key words: SG3525; DC servo system; double closed-loop 直流控制系统设计1前言直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点,因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中,在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用,特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等场合。尽管交流伺服电机的发展相当迅速,但在这些领域内还难以取代直流伺服电机。数字直流伺服控制采用高速数字信号处理器(DSP),直接对速度和电流信号进行采样,通过软件实现数字比较、数字调

8、节运算(数字滤波)、数字脉宽调制等各种功能,从而实现对速度的精确控制。但是数字直流伺服控制调速系统结构复杂、成本高,技术难度大,还没有在工业上形成大的规模,只有很少的企业使用。而传统的直流伺服控制系统包含2个反馈环路,即速度环和电流环,采用测速机、电流传感器(霍尔器件)及模拟电子线路实现速度和电流的双闭环控制。由于其结构简单、成本低、可靠性高,有具有较好的动、静态性能。在中国目前的工业控制系统中,模拟直流伺服控制系统还占有很大的规模,市场也很大。因此,设计一个好的直流伺服控制系统是有很好的市场前景的。本人此次设计的直流伺服控制系统就是一个模拟直流伺服调速系统,它采用SG3525产生可调PWM波

9、,利用PWM逆变器作为直流电机的驱动,在PWM逆变器中采用了IGBT,并让电路工作在电流断续状态下,这样就很好地解决了晶闸管关断期反压太低,参数匹配麻烦,输出频率仍然偏低的问题。同时采用美国IR公司生产的高压、高速、具有自举电路的IR2110作为IGBT的驱动。为防止IGBT的共态导通,设计中又加进了逻辑延时电路,逻辑保护电路。通过电流调节器和电压调节器的反馈来控制PWM的脉宽,从而控制进入直流伺服电动机的电压,进而控制直流伺服电动机的转速。整个直流伺服控制系统具有较好的动、静态性能。1.1伺服系统及其发展历史伺服系统是以机械运动的驱动设备,电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换

10、装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求。伺服系统是自动控制系统的一个分支,它是伴随着电的应用而发展起来的,最早出现于20世纪初。1934年第一次提出了伺服机构(servomechanism)这个词,随着自动控制理论的发展,到20实际中期,伺服系统的理论与实践均趋于成熟,并得到广泛应用。到了70年代,直流伺服电机被应用到各个领域,得到了最广泛的应用。伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步,大功率高性能半导体,功率器技术发展,80年代,交流伺服技术、交流伺服电机,交流伺服控制系统逐渐成为主导

11、产品。1.2 伺服系统的分类、现状与展望伺服系统以数控机床的各坐标为控制对象,产生机床的切削进给运动。为此,要求伺服系统能快速调节坐标轴的运动速度,并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机,伺服系统可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。(一)步进伺服系统步进伺服是一种用脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态,则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数,如500步、1000步、50

12、 000步等等,从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单,符合系统数字化发展需要,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步,使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术,使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高,特别是随着智能超微步驱动技术的发展,将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。(二)直流伺服系统直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流,它们分别控制励磁电流与电枢电流,可方便地进行转矩与转速控制。另一

13、方面从控制角度看,直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统,经典控制理论完全适用于这种系统,因此,直流伺服系统控制简单,调速性能优异,在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而,从实际运行考虑,直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高,故障多,维护困难,经常因碳刷产生的火花而影响生产,并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力,限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上,使得电动机效率低,散热差。为了改善换向能力,减小电枢的漏感,转子变得短粗,影响了系统的动态性能。(三)交流伺服系统针对直流电动机的缺陷,如果将其做“里翻外”的处理,即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分,

14、由转子轴上的编码器测出磁极位置,就构成了永磁无刷电动机,同时随着矢量控制方法的实用化,使交流伺服系统具有良好的伺服特性。目前,在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统,有三种类型:模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一,只接收模拟信号,位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用,如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令,各种参数均以数字方式设定,稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口,改变工作

15、方式、更换电动机规格时,只需重设代码即可,故也称万能伺服。交流伺服随着新技术的发展而不断完善,具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展,智能化功率模块得到普及与应用;二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟,将促进先进控制算法的应用;三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟,将使基于网络的伺服控制成为可能。(四)直线伺服系统直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(Direct Drive),与传统的旋转传动方式相比,最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节,即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式,带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标

16、,如加速度可达3g以上,为传统驱动装置的1020倍,进给速度是传统的45倍。从电动机的工作原理来讲,直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式;而从结构来讲,又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式,受到机床厂家的重视,技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上,有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床,快移速度达100120m/min,加速度1.52g,其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用

17、直线电动机驱动,年产1500多台,约占总产量的1/3。而MAZAK公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心,切削速度8马赫,主轴最高转速80000r/min,快移速度500m/min,加速度6g。所有这些,都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床,将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床,并在使用中逐步占据主导地位。2 直流伺服控制系统的方案设计2.1 本次设计的设计内容和要求设计内容:完成直流伺服控制系统原理性设计、总体方案设计及驱动电路设计,研究系统动态性能。设计要求:采用DC90V直流电压 电机功率800W 电机额定转速1500r/min 额定扭矩10NM 电气时间常

18、数0.02秒 机械时间常数0.2秒 采用PWM控制 采用电流闭还和速度闭还控制2.2 总体方案选择从基本结构来看,直流系统主要由三部分组成:控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差,调节控制量;功率驱动装置作为系统的主回路,一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上,调节电动机转矩的大小,另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电;电动机则按供电大小拖动机械运转。根据直流调速系统的控制方式可将分直流调速系统为开环直流调速系统和闭环直流调速系统。采用调压调速的直流调速系统框图如图2.1所示。该系统

19、为开环直流调速系统。通过改变参考电压的大小,即可改变触发脉冲的控制角,从而使直流伺服电动机的电枢电压变化,以达到改变电动机转速的目的,但这样的开环调速系统动、静态性能较差。R触发器M图2.1 开环调速系统 开环调速系统不满足静态指标,原因是静态速降太大,根据反馈控制原理,要稳定那个物理量,就引入那个物理量的负反馈,以构成闭环控制系统。这次我设计的就是引入了电流和速度两个负反馈的双闭环直流伺服控制系统。这也符合我的毕业设计要求在双闭环调速系统中,设置了两个调节器,分别控制转速和电流,其反馈信号去控制PWM调制器。其原理框图如图2.2所示 图2.2 双闭环调速系统原理框图 本设计中的PWM控制器我

20、采用了集成芯片SG3525,而不采用常规的PWM波产生电路,是因为SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器, 大大简化了脉宽调制器的设计和调试。 驱动电路采用H桥式可逆PWM变换器,功率驱动采用集成芯片IR2110,因为该芯片中采用了高度集成的电平转换技术,大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求,同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少。 电流,电压反馈都采用PI调节器,并且将两个调节器进行串级连接。转速调节器的输入来自测速机,输出作为电流调节器的输入,而电流调节器的输出则去控制SG3525,这样就可以使系

21、统实现无静差调节,于是系统的原理框图就变为图2.3所示。图2.3双闭环调速系统原理框图从系统结构上看,电流调节环在里面,称为内环;转速调节环在外面,称为外环,2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构,这就是所谓的双闭环调速系统,其中ASR,ACR分别是速度和电流调节器。3 双闭环调速系统的原理分析3.1 转速、电流双闭环调速系统的工作原理 双闭环调速系统采用PI调节器,则其稳态时输入偏差信号一定为零,即给定信号与反馈信号的差值为零,属无静差调节。3.1.1 电流调节环 电流环的给定信号是速度调节器的输出信号,电流环的反馈信号采自逆变电路,其值=,为电流反馈系数,则 =-=0 (3-1) =

22、所以 = (3-2) 在一定的条件下,在电流调节器的作用下,输出电流保持为值,而由电网电压波动引起的电流波动将被有效抑制。此外,由于限幅的作用,速度调节器的最大输出只能是限幅值-,调整反馈环节的反馈系数,可使电动机的最大电流对应的反馈信号等于输入限幅值,即 =的取值应考虑电动机允许过载能力和系统允许最大加速度,一般为额定电流的(1.52)倍。3.1.2 速度调节环 速度环给定信号,反馈信号=则稳态时 =-=0所以 =既 (3-3)ASR调节器的给定输入由稳压电源提供,其幅值不可能太大,一般在十几伏以下,当给定为最大值时,电动机应达到最高转速,一般为电动机的额定转速。 ACR调节器输出为触发装置

23、的控制电压 = (3-4)当为定值时,由ASR调节器可使电动机转速恒定,克服负载扰动的影响,其调节过程如下;双闭环系统的正常工作段静特性如图3.1中的段。OABn 图3.1 双闭环系统工作静特性当负载过大时,电动机发生堵转,转速下降至零,速度调节器输入偏差=为最大值,ASR饱和,输出为限幅值,ASR失去调节作用,系统仅靠电流调节器的限流作用,使=恒流调节,呈下垂特性,如图3.3中的AB段。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时转速无静差,转速负反馈起主要调速作用,工作段静特性很硬,而在负载达到时,转速调节器饱和,系统表现为电流无静差调节系统,具有过电流的自动保护,静特性为下垂特性。3.2 双闭

24、环调速系统起动过程分析 双闭环调速系统突加给定电压后,其转速和电流在起动过程中的波形如图3.2所示,其中、阶段速度调节器饱和,第阶段速度调节器退出饱和发挥线性调节作用。 图3.2 双闭环调速系统起动过程转速和电流波形第阶段0是电流上升阶段。系统突加给定电压后,由于电动机的机械惯性较大,转速和转速反馈量增长较慢,则速度调节器ASR的输入偏差电压的数值较大,转速调节器的放大倍数较大,其输出很快达到饱和输出限幅值。该电压加在ACR的输入端,作为最大电流的给定值,使ACR的输出首先靠比例部分的作用()迅速增大,触发脉冲从初始位置快速前移,强迫电枢电流迅速上升。随着电流反馈信号的上升,逐渐减小,ACR的

25、输出信号的比例部分随着减少,而积分部分逐渐积累增加。在比例、积分两部分共同作用下,形成了如图3.4中所示的波形。的上升使整流电压成比例增加,从而保证电流迅速增大,直到最大值。当,ACR的作用使不再增加,保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ASR因阶跃给定作用而迅速饱和,而电流调节器ACR一般为不饱和。以保证电流环的调节作用,强迫电流上升,以达到。第阶段是恒流升速阶段,即升速时保持最大电流给定。该阶段从电流上升到开始,直至转速上升到给定值对应的转速额定值为止,是起动的主要阶段。期间,ASR一直处于饱和状态,输出限幅保持不变,相当于速度环开环,系统表现为在恒值最大电流给定作用下的电流调节系统,

26、基本上保持电流恒定。时刻,当升至时,=0,但由于0,转速继续上升,反电动势也随之上升,这使得电枢电流=下降,当略小于,0,又使上升,也上升,力图维持=值。在的恒值下,内环恒定的自动调节过程是:n调节作用使略小于而维持不变,转速直线上升,相应的E、也都是线性上升,时刻n上升达给定转速,如图3.4所示。第阶段为以后转速调节阶段。时刻,转速已达给定值,转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡,输出偏差为0,=-=0,但其输出由于PI积分作用还维持在限幅值,电动机仍在最大电流下继续加速,使转速产生超调,同时ASR的输出端出现负偏差电压(,0),使转速调节器退出饱和状态,ASR输出电压也为ACR电流调节器的

27、给定电压从限幅值降下来,主电路电流也随之迅速减小。但是,由于仍大于负载电流,转速继续上升,直至=,转矩T=,则=0,转速n达到峰值()。此后在负载力矩的作用下,电动机开始减速。当n达到给定值()=,系统进入稳态运行状态。在这一阶段中,转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和,共同担当调节作用。转速调节处于外环,起主导作用,促使转速迅速趋于给定值,并使系统稳定;电流调节器的作用则是力图使尽快跟随转速调节器ASR的输出的变化,也就是电流内环的调节过程是由速度外环来支配的,形成了一个电流伺服系统。系统启动后进入稳态时,转速等于给定值,电流等于负载电流,ASR和ACR的输入偏差电压均为零。综上所述,

28、双闭环调速系统起动过程的特点:转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时,系统为恒值电流调节单环系统。转速闭环时,系统为无静差调速系统,电流内环为电流伺服系统。转速环从开环到闭环发挥调节作用,其转速一定出现超调,只有靠超调才能使ASR退饱和,才能进行线性调节。恒电流转速上升阶段,取为,充分发挥了电动机的过载能力,实现了电流受限制条件下的最短时间控制,即“时间最优控制”。3.3 直流电机转速稳定的动态分析 图3.3 双闭环系统稳态结构图 由图3.3可知,当直流电机的负载发生变化时,会影响到电机转速的波动, 当负载增加时, 电机转速会瞬间减小, 通过速度变换器FBS、转速调节器ASR和电流

29、调节器ACR的作用,ASR输出送至SG3525的信号会使得SG3525的13脚输出的PWM 波形的占空比增大, 从而加在直流电机电枢两端的电压会相应增大, 因此电机转速回升。其调节过程为(-)0当=时,转速不再下降,但转速仍小于给定转速,=(-)0,上述调节过程还将进行,使,电动机转速才开始上升,在回升到值之前,有0,使,当时,下降,依次重复,使系统稳定下来。只要过程为衰减的,最终一定能达到=,=,=的稳定状态。如图3.4所示图3.4 突加负载,电动机电枢电流,电机转速n=f(t)的波形图反之, 当负载减轻时, 电机的转速上升,经过系统的调节,使SG3525的13脚输出的PWM 波形的占空比减

30、少, 电机转速下降。如 图3.5所示图3.5 突减负载,电动机电枢电流,电机转速n =f(t)的波形图 双闭环可逆直流脉宽调速系统起动过程的电流和转速波形接近理想快速起动过程的波形; 具有很硬的静特性和机械特性; 能够快速实现直流电机的正反转控制。在中小容量的直流传动系统中, 采用SG3525构成的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性, 因而具有很好的发展前景。4直流伺服系统的电路组成与分析 4.1 系统构成本设计的原理框图如图4.1所示,它由直流电机M、双极式H桥PWM 变换器、SG3525组成的脉宽调制器(PWM)、逻辑延时与保护电路、2110驱动电路以及速度调节器(ASR)、电流调节器

31、(ACR)、测速发电机(TG)等组成。图 4.1 直流脉宽调速系统原理框图直流脉宽调速系统的具体线路图如图4.2所示: 图中可逆PWM逆变器主电路系采用IGBT所构成的H型结构形式,它由四个功率IGBT管和四个续流二极管组成,电路采用功率场效应管IGBT作为自关断器件, 利用集成脉宽调制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号,根据脉冲占空比的不同,在直流电机上可得到 + 或 - 的直流电压。TG 是与直流电动机连动的测速发电机,经过速度变换器FBS后可获得一个反映转速变化的速度反馈信号,此信号接入速度调节器ASR的反馈输入端,G为电压给定器,可提供正、负电压,电压大小可以调节。SG352

32、5为脉宽调制器。R4、C4、VD5、R5、C5、VD6构成逻辑延时环节。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电,正常情况下,交流输入为220V,经过整流后变为90V直流电,电阻R1为起动限流电阻,在VT1和VT4的源极回路中,串接两个取样电阻,其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流,经过差分放大输出一个反映电流大小的电压,可作为双闭环系统的电流反馈信号,接到电流调节器ACR的输入端。图4.2 直流脉宽调速电路4.2 主电路工作过程 由图4.2可知,220V交流电经桥式整流电路、滤波电路变成直流电压90V后, 加在直流电机的电枢两端,4个功率场效应管的基极驱动电路分为2组,VT1和VT4同时通

33、断, 其驱动电压= ;VT2和VT3同时动作,其驱动电压己 = ,在一个开关周期内, 当0t 时, 和 为正,VT1和VT4导通,而和为负,VT2和VT3截止,电枢AB两端 = 90V,电枢电流沿回路1流通,其中回路1由VT1、电机、VT4和桥式整流电路组成, tT/2, 电枢两端的平均电压为正, 电机正转; 当正脉;中较窄时,即toT2, 电枢两端的平均电压为负, 电机反转。电机的转速经测速发电机以及FBS(转速变换器)输出到ASR(转速调节器), 作为ASR的输入并和给定电压比较, 组成系统的外环, ASR的输出作为ACR(电流调节器)的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。电

34、流调节器ACR的输出送至SG3525的9端,其中ASR和ACR均采用PI调节器, 电流反馈信号取自主电路的取样电阻上, 利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用, 使系统能够快速起制动, 突加负载动态速降小, 具有较好的加速特性。5 控制电路的设计本设计中控制原理框图如图5.1,其中PWM控制器我采用SG3525A。PWM控制器延时电路保护电路驱动与电机电压,电流调节器图5.1 控制原理框图图5.1的核心为PWM控制器SG3525A,用SG3525A发出的PWM脉冲,通过逻辑延时电路,逻辑保护电路来控制逆变器VT1、 VT4和VT2、VT3轮流导通,从而控制逆变电压和逆变频率。图5.2为控

35、制电路的电路图,其中SG3525A的6脚连接电阻R,5脚连接电容C,改变R和C的大小,这样就可调控SG3525输出的PWM脉冲频率。同时通过调节SG3525的9脚电压来改变输出脉宽。图 5.2 控制电路的电路图以下分别独立介绍主控制电路各个组成部分的基本原理、功能及参数计算。5.1控制芯片SG3525 设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。如何保证系统稳定且可靠工作,又使系统的开发周期短,性价比高,是一个需要综合考虑的问题。目前实际产品应用中有各种典型的控制电路,鉴于对电源和驱动的要求,结合本次毕业设计选择了SG3525A.SG3525是电流控制型PWM控制器,所谓电流控制型脉宽调制器是按照

36、接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型控制器。5.1.1 SG3525内部结构与功能SG3525A的内部结构见图5.3,由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构成。图5.3 SG3525A内部结构(1)欠压锁定功能基准电压调整器受13脚的外加直流电压的影响,当低于7V时,基准电压调整器的精度

37、值就得不到保证,由于设置了欠压锁定电路,当出现欠电压时,欠压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平,经过或非门输出转化为低电平,则SG3525A的13脚输出为高电平,功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失,逆变器无电压输出。 (2)系统的故障关闭功能 为便于从主回路受检测到的故障信号,集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使1O脚为高电平,由于T3基极与A端线相连,故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。另外,故障信号使T3导通提供8引脚C3电容的放电路径,C3放电到零电压为软启动作好准备。故障消除后T3截止,C3由电流源缓慢充电,这与欠电压

38、消失后的软启动过程一样。在本电路中,过流保护环节还输出一个信号到与门的输人端,当出现过流信号时,检测环节输出一低电平信号到与门的输入端,使脉冲消失,与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护(3)软起动功能软起动功能的实现主要由SG3525A内部的晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时,A端线高电平传到T3晶体管基极,T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径。C3经T3放电到零电压后,限制了比较器的PWM脉冲电压输出,电压上升为恒定的逻辑高电平,PWM高电平经PWM锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平,C3电容重新充电之前,D端线的高电平不会发生变化,封锁输

39、出。当故障消除后,A端线恢复为低电平正常值,T3截止,C3由50A电流源缓慢充电,C3充电对PWM和D端线脉冲宽度产生影响,同时对P1和P2输出脉冲产生影响,其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽,只有C3充电结束后,P1和P2的脉冲宽度才不受C3充电的影响。这种软起动方式,可使系统主回路电机及功率场效应管承受过大的冲击浪涌电流。5.1.2芯片管脚及其功能介绍SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品,它采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路,性能优异,所需外围器件较少。SG3525采用16端双列直插DIP封装,引脚图5.4及各端子功能介绍如下:图5.4 SG3525A的引脚图I

40、NV.INPUT(反相输入端1):误差放大器的反相输入端,该误差放大器的增益标称值为80db,其大小由反馈或输出负载来决定,输出负载可以是纯电阻,也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压范围是1. 5V-5. 2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时,将电源输出电压分压后与基准电压相比较。 NI.NPUT(同相输入端2):此端通常接到基准电压16脚的分压电阻上,取得2. 5V的基准比较电压与INV. INPUT端的取样电压相比较。 SYNC(同步端3):为外同步用。需要多个芯片同步工作时,每个芯片有各自的震荡频率,可以分别他们的4脚和3脚相连,这时

41、所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。 OSC.OUTPUT(同步输出端4):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大,同步脉冲频率应比震荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时,3脚和4脚悬空。4脚输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波电压范围为0. 6V到3. 5V。 CT(震荡电容端5):震荡电容接至5脚,另一端直接接至地端。其取值范围为0.001u F到0. 1 u F。正常工作时,在Cr两端可以得到一个从0.6V到3. 5V变化的锯齿波。 本设计中CT取0.04uF RT(震荡电阻端6):震荡电阻一端接至6脚

42、,另一端直接接至地端。RT的阻值决定了内部恒流值对CT充电。其取值范围为2K欧到150K欧RT和CT越大充电时间越长,反之则充电时间短。 本设计中RT取8K DISCHATGE RD(放电端7):CT的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开,有利于通过死区电阻来调节死区时间,使死区时间调节范围更宽。其取值范围为0欧到500欧。放电电阻RD和CT越大放电时间越长,反之则放电时间短。这样,SG3525A的振荡频率可由下面的公式进行计算:F=1/(Ct(0.67Rt+1.3Rd) (5-1)其中Ct是5脚接出到地的充电电容,Rt是6脚接出到地的时基电阻,Rd是5,7脚间的放电电阻. 本

43、设计中RD取200 SOFTSTATR(软启动8):比较器的反相端即软启动器控制端8,端8可外接软启动电容,该电容由内部的50uA恒流源充电。 COMPENSATION(补偿端9):在误差放大器输出端9脚与误差放大器反相输入端1脚间接电阻与电容,构成PI调节器,补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1. 5V到5. 2V。调节输入 9脚的电压,可以调节PWM波产生器产生的PWM波的脉宽,进而调节输出脉冲波的占空比,使加在电动机上的电压发生变化,以达到调节电动机速度的目的。 SHUTDOWN(关断端10):10端为PWM锁存器的一个输入端,一般在10端接入过流检测信号。过流检测信号维

44、持时间长时,软起动端8接的电容C被放电。一般用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端10脚,当脚10电压大于0. 7V时,芯片将进行限流操作,当脚10电压超过1.4V时,将使PWM锁存器关断,直至下一个时钟周期才能够恢复。OUTPUT A, OUTPUT B(脉冲输出端11、14):输出末级采用推挽输出电路,驱动场效应功率管时关断速度更快。11脚和14脚相位相差180,拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后,使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲,起持续时间约为l00ns。可以在处接一个约0. lf的电容滤去电压尖峰。本次设计中14、12、11脚是接地的。GROUND(接地端

45、12):该芯片上的所有电压都是相对于GROUND而言,即是功率地也是信号地。在实验电路中,由于接入误差放大器反向输入端的反馈电压也是相对与12脚而言,所以主回路和控制回路的接地端应相连。 VC(推挽输出电路电压输入端13):作为推挽输出级的电压源,提高输出级输出功率。可以和15脚共用一个电源,也可用更高电压的电源。电压范围是4.5V-35V 。+VIN(芯片电源端15):直流电源从15脚引入分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端,产生5.1士1%V的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压(Turn-off=8V),该芯片内部电路锁定,停止工作(基准源及

46、必要电路除外)使之消耗的电流降至很小(约2mA)。另外,该脚电压最大不能超过35V,使用中应该用电容直接旁路到GROUND端。VREF(基准电压端16):基准电压端16脚的电压由内部控制在5. 1 V土1%。可以分压后作为误差放大器的参考电压。5.1.3 SG3525的特点SG3525特点如下: (1)工作电压范围宽:835V。 (2)5.1(1 1.0%)V微调基准电源。 (3)振荡器工作频率范围宽:100Hz400KHz. (4)具有振荡器外部同步功能。(5)占空比可调。每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。 (6)内置软启动电路,具有PWM琐存功能,具有输入

47、欠电压锁定功能。(7)正常工作的温度范围是0-700(8)输出级采用推挽输出,双通道输出5.1.4 SG3525的工作原理 SG3525内置了5.1V精密基准电源,微调至 1.0%,在误差放大器共模输入电压范围内,无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能,可以工作在主从模式,也可以与外部系统时钟信号同步,为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路,因此只需要一个外接定时电容。 SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个5uF 的软启动电容。上电过程中,由于电容两端的电压不能突变,因

48、此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平,PWM比较器输出高电平。此时,PWM锁存器的输出也为高电平,该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上,使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时,SG3525才开始工作。由于实际中,基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上,而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时,误差放大器的输出将减小,这将导致PWM比较器输出为正的时间变长,PWM锁存器输出高电平的时间也变长,因此输出晶体管的导通时间将最终变短,从而使输出电压回落到额定值,实现了稳态。反之亦然。 外接关

49、断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown(引脚10)上的信号为高电平时,PWM锁存器将立即动作,禁止SG3525的输出,同时,软启动电容将开始放电。如果该高电平持续,软启动电容将充分放电,直到关断信号结束,才重新进入软启动过程。注意,Shutdown引脚不能悬空,应通过接地电阻可靠接地,以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低,在SG3525的输出被关断同时,软启动电容将开始放电。 此外,SG3525还具有一个功能,即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止,输出都将被中止,直到下一个时钟信号到来,PWM锁存器才

50、被复位。5.1.5 PWM波的产生及控制方式分析如图5.5所示,锯齿波信号由C2、R3震荡电路产生,作为载波信号Ut,调制信号由9脚输入,此调制信号由可调电位器RP上的电压信号Up 和外加的给定信号Ug叠加而成,RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比,Ug可正可负,用于控制逆变器输出电压的大小和极性,在开环系统中,电压给定器的输出电压直接加在Ug上,在双闭环可逆调速系统中,Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制,构成闭环自动控制系统 本电路是由摸拟的转速、电流调节器来控制的,电压给定器G 的输出接在ASR的输入端,Ug由ACR的输出控制。图5.5 SG3525的外部电路 如图5.6所

51、示,要改变输出脉冲PWM波的占空比,只要改变调制信号Ur的电压大小即可实现。图 5.6 电压Ur大小与输出波形Uo的关系图 在本设计中,SG3525输出宽度可调的固定频率脉冲,频率由SG3525的5、6、7端外接电阻、电容决定,为 =4.45KHz其中CT=0.04uF, RT=8K,RD=200.5.2 延时电路设计 在可逆变换器中,跨接在电源两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作,由于功率场效应管的关断要有一定的时间。在这段时问内功率场效应管并未完全关断。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通,则将造成上下两管直通从而使电源正负极短路 ,为了避免发生这种情况。设置了由R、c电路构成的逻辑

52、延时环节 保证在对一个管于发出关闭脉冲后,延时5u S左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。如图5.7所示:图5.7 逻辑延时电路原理图Ua为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形(占空比调节范围不小于0109),经过RC移相后,输出两组互为到相、死区时间为Ts左右的脉冲。Ts= (5-2)=0.79=4.90秒经过光耦隔离后,分别驱动四只MOSFET管,其中VT1、VT4驱动信号相同,VT2、VT3驱动信号相同。其波形图如图5.8。图 5.8 逻辑延时后的PWM波形5.3 保护电路 如图5.9所示,此电路是为了防止电动机和IGBT管的过流而设计的,当PWM逆变器中的电流超过整定值后

53、,过流保护电路动作,输出低电平,关闭脉冲,使IGBT管关闭,从而防止IGBT管和电动机被烧坏的可能。隔离器件采用快速光耦合器6N137做强、弱电间的隔离,以提高可靠性。图5.9 逻辑保护电路6 驱动电路的设计如图6.1所示,驱动电路由PWM逆变电路,IGBT的驱动芯片IR2100及其外围电路组成。PWM逆变电路用来驱动直流电动机,IR2100则是接收SG3525产生的PWM波,转化成功率管IGBT的驱动信号。图6.1 驱动电路原理图6.1 PWM功率放大器的工作原理H双极模式PWM转换电路如图6.2所示。它由4个大功率晶体管、4个续流二极管、3个电阻组成。VT1和VT4为一组,VT2和VT3为

54、另一组。同组的两个晶体管同时导通,同时关断,两组晶体管之间交替的导通和截止。亦即基极驱动信号=,=-。双极模式工作时的PWM、输出电压、电流波形如图6.3所示。在0ttl期间, 和为正, 和 为负,这时晶体管V1、V4导通,当电源电压 大于电动机反电势E时,电枢电流从A流向B ,电机工作在电动状态。在tltT期间,V1、V4截止,电枢电流在电枢电感的作用下经D2、D3续流,电动机仍工作在正向电动状态。假如在t=t2时刻正向电流衰减到零,则在t2tT期间,V2、V3在电源电压Us。和电动机反电动势E的作用下导通,电枢电流经V2、V3从B流向A,电动机工作在反接制动状态。在 Ttt3 期间,晶体管

55、基极电压改变极性,V2、V3截止,电流经二极管D4、Dl继续从B流向A,电动机仍工作在制动状态。如果在t=t3时刻反向的电枢电流衰减到零,那么在t3tt4期间,Vl、V4导通,电枢电流从A流向B,电机工作在电动状态。重复上述过程。图6.2 H型PWM功率转换电路 图6.3 H双极模式PWM 放大器电压、电流波形从上述可知,电动机无论工作在何种工作状态,在0ttl期间电枢电压总等于+ Us,而在tltT期间电枢电压总等于- Us 。从上面的分析可知双极模式PWM控制的电枢电流无断续现象,即使电机不转,电枢电压瞬时值不等于零,而是正、负脉冲电压的宽度相等,电枢回路中流过一个交变的电流,这个电流可使

56、电动机发生高频颤动,有利于减少静摩擦力矩的干扰。6.2 功率管IGBT6.2.1 IGBT的工作原理图6.4所示为IGI 的平面结构和沟槽结构。IGBT的等效电路如图6.5所示。由图6.5可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样,PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。6.2.2 IGBT的特点IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管是一种新型的电力半导体器件。现已成为电力电子领域的新

57、一代主流产品。它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。结构上,它是由成千上万个重复单元(即元胞)组成,并采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。IGBT既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点,又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。所以IGBT功率器件的三大特点就是高压、大电流、高速。这是其它功率器件不能比拟的。它是电力电子领域非常理想的开关器件。6.2.3 IGBT和续流二极管的选择由于本设计的电动机的要求为DC90伏,所以当交流电220V整流变成直流电时,其有效值为90V,当IGBT

58、关断时,续流二极管导通,稳压电源的全部输入电压都加在IGBT集-射极的两端。因此,开关管的集-射额定电压UCE必须大于稳压电源的输入电压。IGBT受到的最大正向电压为逆变器输入端电压源的电压,考虑到开关时的浪涌电压,取额定电压: =1.5=1.590=135 (V) 额定电流: IM=800/90=12.6(A)另外,考虑与专用驱动芯片IR2110的兼容性,故选用型号为G80N60,其有关参数如下:表6.1 G80N60 的性能参数开启电压5V1V栅极击穿电压20V集射电压600V集电极电流80A集射峰值电流320A耗散功率320W集射截止电流IGES0.5mA饱和压降2.7V正向跨导36输入

59、电容3000pF下降时间43ns根据续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流,以及当开关管截止时,输入电压加在续流二极管的两端,因此,续流二极管的耐压值必须大于输入电压。再者,因为开关管的工作频率很高,续流二极管也只是在IGBT管关断的很短一段时间内工作,因此这种二极管的恢复时间还必须远远小于开关管的工作周期,这样也只有200ns以下的快速恢复二极管能满足要求。本设计中二极管使用HFA25TB60,这是一种快速恢复二极管。最大工作电流 为25A,最大工作电压为600V。恢复时间为35ns。6.3 IGBT驱动芯片IR2110对于驱动IGBT电压型功率器件,国内外已推出了多种具有保

60、护功能的智能驱动器。它们有许多优点,如具有多种保护功能、隔离驱动、电路参数一致性好、运行稳定可靠等。IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自举浮动电源,驱动电路非常简单,只用一路电源可同时驱动上、下桥臂。6.3.1 IR2110主要功能和技术参数IR2110驱动器的内部结构框图如图6.6所示。图 6.6 IR2110驱动器的内部结构框图它包括:逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出和下桥臂输出。逻辑输入端采用施密特触发电路,提高抗干扰能力。输入逻辑电路与TTL /COMS电平兼容,其输入引脚阀值与电源成比例,为电源电压的10 ,各通道相对独立: 由于逻辑信号均通过电

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